论文部分内容阅读
Mg-Al系镁合金是应用最广泛的镁合金体系,一直以来都是研究的热点。然而在Mg-Al系镁合金的应用和研究中,仍存在一些问题尚未解决,其中包括Mg-Al系镁合金的晶粒细化和非连续析出相改性。由于Al元素与Zr元素之间有很强的化学结合能力,Mg-Al系镁合金不能使用添加Zr的方式实现细化,且至今仍没有实现其晶粒细化的有效手段。另外,Mg-Al系镁合金有很好的时效强化潜能,但由于其时效析出相中非连续析出相比例较高,导致合金塑性降低,性能提高有限,因此生产中通常不对Mg-Al系镁合金做时效处理。本文关注上述Mg-Al系镁合金中的两个未解决难题,系统研究了Sm元素对Mg-Al合金晶粒细化的影响,以及Cu元素对Mg-9Al合金晶粒细化和时效析出行为的影响,主要结论如下:（1）Sm元素会对Mg-Al合金中自发存在的异质形核颗粒Al-C-O（及Al-Fe-C-O）产生毒化作用,使其失去作为形核质点的能力。因此,当少量Sm加入Mg-Al合金中时,将导致合金晶粒显著粗化。当Mg-Al合金中Sm的加入量足够多时,在合金凝固过程中有Al2Sm颗粒先于α-Mg形成,并作为α-Mg的非均匀形核从而显著细化Mg-Al合金晶粒。E2EM模型计算结果表明,Al2Sm与α-Mg之间的错配度仅为1.1%,可作为α-Mg的非均匀形核核心。（2）显微组织统计结果表明,Mg-3Al-2Sm合金中超过80%的Al2Sm颗粒起到了α-Mg的非均匀形核核心的作用,此比例远高于常规Al合金和AZ91合金中的12%。前期“Interdependence Theory”研究表明,常规Al合金和AZ91合金中异质形核颗粒有效率较低与晶粒凝固前沿形成的“Nucleation Free Zone”（NFZ）密切相关,NFZ抑制了所在区域内异质颗粒的形核作用。与Interdependence Theory描述的过程不同,本文提出以Al2Sm颗粒为形核核心的形核过程中不出现NFZ。Al2Sm颗粒在镁合金熔体中原位形成过程中,其周围形成贫溶质区,贫溶质区内的L→α-Mg平衡相变温度高于其它区域,因此凝固过程中,贫溶质区内会优先产生过冷度,促进了α-Mg在Al2Sm颗粒表面形核,从而产生晶粒细化效果。（3）向Mg-9Al合金中添加少量Cu元素（0.2-0.5wt.%）将导致晶粒粗化;当Cu加入量≥1wt.%时,合金晶粒才会被细化。0.2 wt.%-Cu元素的加入可促进Mg-9Al合金中连续析出过程,显著增加连续析出相密度,同时抑制非连续析出过程,降低非连续析出相含量,进而显著提高时效后合金的力学性能。（4）基于第一性原理和经典形核-生长理论模型的计算结果表明,Cu元素的加入能够显著提高Mg-9Al合金中固溶原子与空位的结合能,并显著降低Al元素扩散过程中的势垒,提高固溶处理后合金中的空位密度,提高Al元素在合金中的扩散速率,从而促进连续析出过程并抑制非连续析出过程。此外,第一性原理的计算还表明,Al-Cu原子对的结合能高于Al-Al原子对的结合能,侧面说明Cu元素加入后倾向于与Al原子形成微观偏聚,从而降低Mg17Al12相的形核势垒。